Table Of ContentOptimisation de la commande d’une éolienne à base de
machine synchrone à aimants permanents
Adnane Zaimi
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Adnane Zaimi. Optimisation de la commande d’une éolienne à base de machine synchrone à aimants
permanents. Energie électrique. 2014. dumas-01222261
HAL Id: dumas-01222261
https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01222261
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AADNANE ZAIMI
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Remerciements
Il m’est agréable de m’acquitter d’une dette de reconnaissance
auprès de toutes les personnes dont l’intervention au cours de ce
mémoire a favorisé son aboutissement.
Je présente mes remerciements particuliers à mon encadrant
Pr. M. KHAFALLAH pour son accompagnement, sa présence
sans faille et le temps qu’il a confié pour veiller à mon encadrement.
Je ne peux oublier Pr. A. MESBAHI qui m’as beaucoup
servit avec son expérience dans le secteur des énergies éoliennes.
Je présente aussi mes sincères gratitudes à tout le corps
professoral du CNAM et en particuliers celui de l’ENSEM,
département électrotechnique.
1
Résumé
La puissance disponible d’un système éolien dépend principalement de la vitesse du vent. De plus, le
système éolien donnera une sortie en puissance qui varie en fonction de la vitesse de sa génératrice qui
est une MSAP (machine synchrone à aimants permanents) dans notre cas. Autrement dit, il existe un
point de fonctionnement optimal qui permet de tirer profit au maximum de la puissance disponible. Ce
point est ajusté en agissant sur la vitesse de la MSAP. Le système que nous désirons étudier consiste en
une éolienne alimentant des batteries tout en utilisant un hacheur abaisseur-élévateur comme
interface. En modifiant le rapport cyclique du montage abaisseur-élévateur, on varie la tension reflétée
au niveau de la MSAP et par conséquent sa vitesse.
Une technique innovante de capture de la puissance maximale est présentée et analysée
théoriquement dans cette étude. Le principe de cet algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking)
consiste à chercher une relation optimale de fonctionnement à la puissance maximale, puis traquer la
puissance maximale en se basant sur cette relation. Son avantage principal est de ne pas nécessiter un
anémomètre ou une connaissance préalable de la caractéristique de l’éolienne. La réponse du système
avec cet algorithme est précise et rapide face aux fluctuations de la vitesse du vent. La validité et la
performance de la technique proposée sont confirmées par simulation sur MATLAB/SIMULINK, et
comparées à d’autres algorithmes.
Abstract
The available power in a wind energy system depends mainly on the wind speed. Furthermore, the wind
energy conversion system output power will vary as a function of the angular speed of the generator,
in our case; we will be using a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). Otherwise, there is
an operating point that allows extracting maximum power available. This operating point is adjusted by
controlling the PMSG speed. The system we are studying consists of wind energy system feeding a
battery using a buck-boost converter as an interface. By modifying the buck-boost duty cycle, we vary
the reflected voltage at PMSG, and accordingly its speed.
An innovating maximum power point tracking technique (MPPT) for PMSG based wind energy
conversion systems is proposed and theoretically analyzed. The technique searches for the system
optimum relationship for maximum power point tracking and then controls the system based on this
relationship. The main advantage of the proposed technique is that it does not require an anemometer
or preknowledge of a system, but has an accurate and fast response to wind speed fluctuations.
MATLAB/Simulink simulations confirm the validity and performance of the proposed technique.
2
Table des matières
Remerciements ............................................................................................................................................. 1
Résumé .................................................................................................................................................... 2
Abstract ................................................................................................................................................... 2
Table des matières ................................................................................................................................... 3
Liste des Figures ....................................................................................................................................... 6
Liste des Tableaux .................................................................................................................................... 8
Introduction .............................................................................................................................................. 9
CHAPITRE 1. Aperçu de l’énergie éolienne au Monde .................................................................... 11
1.1. Capacité installé et développement ........................................................................................ 12
1.2. Les petites turbines éoliennes PTE........................................................................................... 13
1.3. Coût de l’énergie éolienne ...................................................................................................... 16
1.4. Gisement du vent au Maroc .................................................................................................... 17
1.5. Conclusion .............................................................................................................................. 17
CHAPITRE 2. Etat de l’art des systèmes de conversion d’énergie éolienne. .................................... 18
2.1. L’énergie éolienne ................................................................................................................... 19
2.1.1. L’aérodynamique des éoliennes ...................................................................................... 19
2.1.2. La puissance du vent ....................................................................................................... 24
2.1.3. La puissance récupérable du vent – Limite de Betz.......................................................... 25
2.1.4. La courbe caractéristique d’un aérogénérateur .............................................................. 26
2.1.5. Le choix du gisement éolien ............................................................................................ 26
2.2. Différents Types d’Aérogénérateurs ........................................................................................ 29
2.2.1. Eolienne à axe vertical .................................................................................................... 29
2.2.2. Eolienne à axe Horizontal ............................................................................................... 30
2.2.3. D’autres types d’éoliennes .............................................................................................. 31
2.2.4. Comparaison .................................................................................................................. 32
2.3. Eoliennes à vitesse fixe et variable. ......................................................................................... 34
2.3.1. Eolienne à vitesse fixe. .................................................................................................... 34
2.3.2. Eolienne à vitesse variable .............................................................................................. 34
2.4. Les configurations des Systèmes de conversion d’énergie éolienne ......................................... 35
2.4.1. Les turbines éoliennes à vitesse fixe ................................................................................ 35
2.4.2. Les éoliennes à vitesse variables avec convertisseurs de puissance à capacité réduites ... 36
2.4.3. Les éoliennes à vitesse variables avec convertisseurs de puissance à pleine capacité ...... 39
2.4.4. Architecture pour l’alimentation d’une batterie en site isolé ........................................... 41
2.5. Contrôle de la puissance des turbines éoliennes...................................................................... 42
3
2.5.1. Contrôle de puissance par action mécanique .................................................................. 44
2.5.2. Contrôle de la puissance par action électrique ................................................................ 45
2.6. Conclusion .............................................................................................................................. 45
CHAPITRE 3. Modélisation du Système de Conversion d’Energie Eolienne ...................................... 46
3.1. Modélisation de l’éolienne ...................................................................................................... 47
3.2. Modélisation des GSAP ........................................................................................................... 50
3.3. Choix et Modélisation du hacheur ........................................................................................... 55
3.3.1. Choix du type de hacheur ................................................................................................ 55
3.3.2. Modèle du hacheur buck-boost. ...................................................................................... 56
3.4. Conclusion .............................................................................................................................. 58
CHAPITRE 4. Commandes MPPT des systèmes de conversion d’énergie éolienne .......................... 59
4.1. Stratégie MPPT avec connaissance de courbe caractéristique ................................................ 61
4.1.1. Commande en vitesse ..................................................................................................... 61
4.1.2. Commande en couple ..................................................................................................... 63
4.1.3. Commande indirecte par le pilotage du courant ............................................................. 66
4.2. Stratégie MPPT sans connaissance de courbe caractéristique................................................. 68
4.2.1. La Stratégie P&O basique ............................................................................................... 68
4.2.2. P&O évoluée combinée à l’ORB ....................................................................................... 69
4.3. Conclusion .............................................................................................................................. 76
CHAPITRE 5. Simulation des algorithmes de Contrôle MPPT .......................................................... 77
5.1. Présentation du modèle SIMULINK ......................................................................................... 78
5.1.1. L’éolienne ....................................................................................................................... 79
5.1.2. La machine synchrone à aimants permanents ................................................................ 80
5.1.3. Le hacheur ...................................................................................................................... 81
5.1.4. Le générateur à MLI et sa commande ............................................................................. 84
5.2. Fonctionnement libre sans Commande MPPT ......................................................................... 85
5.3. Commande avec un Algorithme P&O ...................................................................................... 86
5.3.1. Présentation de l’algorithme........................................................................................... 86
5.3.2. Résultat de la simulation ................................................................................................ 87
5.4. Commande avec un Algorithme P&O avancé (Mode de dressage) .......................................... 89
5.4.1. Présentation de l’algorithme de dressage ....................................................................... 89
5.4.2. Résultat de la simulation ................................................................................................ 91
5.5. Commande avec un Algorithme ORB (Mode routine) .............................................................. 93
5.5.1. Présentation de l’algorithme........................................................................................... 93
5.5.2. Résultat de la simulation ................................................................................................ 94
CONCLUSION GENERALE ........................................................................................................................ 96
Bibliographie .......................................................................................................................................... 99
ANNEXE I - Exemples et caractéristique d’éoliennes de petite puissance ..................................... 101
4
ANNEXE II - Chaînes de conversion pour éolienne de faible puissance raccordée sur batterie.
Dimensionnement et comparatif de coût ............................................................................................ 104
a) Notations : ................................................................................................................................... 104
b) Hypothèses : ................................................................................................................................ 104
c) Hacheur dévolteur ....................................................................................................................... 105
d) Hacheur survolteur ...................................................................................................................... 107
e) Hacheur dévolteur – survolteur (inverseur) ................................................................................ 108
Synthèse comparative ..................................................................................................................... 111
ANNEXE III - Script des différents programmes MPPT sur SIMULINK ............................................... 114
a) Script du programme de l’algorithme P&O (Perturb and Observe) ......................................... 114
b) Script du programme de l’algorithme de dressage (Advanced P&O) ...................................... 116
c) Script du programme de l’algorithme Routine (ORB control) .................................................. 120
5
Liste des Figures
Figure 1-1: Capacité Totale Installée [2010-2012] ................................................................................. 12
Figure 1-2: Répartition de la capacité installée par pays [2011-2012] ................................................... 12
Figure 1-3: Totale des Unités de petites éoliennes installées au monde, Source [4] ............................ 15
Figure 1-4: Puissance Totale installée au monde des petites éoliennes, Source [4] .............................. 16
Figure 1-5: Coût d'installation systèmes de conversion d’énergie éolienne .......................................... 16
Figure 1-6: Carte du Gisement éolien au Maroc .................................................................................... 17
Figure 2-1: Vue 3D d'une aile d'une pale d'éolienne ............................................................................. 19
Figure 2-2: Vue de profil d'une aile d'une turbine éolienne .................................................................. 19
Figure 2-3: Ecoulement de l'air autour du profil .................................................................................... 20
Figure 2-4: Phénomène du décrochage ................................................................................................. 20
Figure 2-5: : Vitesses et forces exercées sur un profil d'une éolienne. .................................................. 21
Figure 2-6: Variation de l’angle de calage des pales d’une éolienne ..................................................... 22
Figure 2-7: : Illustration de la variation de la force aérodynamique : diminution par réduction de l'angle
de calage (centre) ou par décrochage (droite). ..................................................................................... 23
Figure 2-8: Courbe du coefficient de puissance en fonction de la vitesse réduite pour différents angles
d'attaque ............................................................................................................................................... 26
Figure 2-9: Wind Rose Graph ................................................................................................................. 27
Figure 2-10: Exemple de la distribution de Weibull [25] ........................................................................ 28
Figure 2-11: Eolienne type Darrieus ...................................................................................................... 29
Figure 2-12: Eolienne type Savonius, à droite savonius hélicoïdal ......................................................... 30
Figure 2-13: Eolienne a axe Horizontal .................................................................................................. 31
Figure 2-14: Efficacité des éoliennes par type de rotor ......................................................................... 32
Figure 2-15: Tendance des constructeurs des Petites Eoliennes en 2011 ............................................. 33
Figure 2-16: Chaine de conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique ................................... 35
Figure 2-17: Architecture d'éolienne à base de génératrice asynchrone à cage d'écureuil .................. 36
Figure 2-18: Architecture d'éolienne à base de GARB avec résistance variable .................................... 37
Figure 2-19: Architecture d'une chaine de conversion d'énergie éolienne à base d'une MADA ........... 38
Figure 2-20: Architecture à base de convertisseur de puissance à plein capacité ................................. 39
Figure 2-21: Architecture pour alimentation d'une batterie avec utilisation (a) de redresseur
commandé. (b) redresseur à diode. (c) redresseur à diode avec hacheur ............................................ 41
Figure 2-22: Exemple de chaine de conversion d'énergie éolienne, (a) à base d'hacheur buck-bost, (b) à
base d'hacheur abaisseur ...................................................................................................................... 42
Figure 2-25: Puissance électrique d'une éolienne en fonction de la vitesse du vent............................. 43
Figure 2-26: Caractéristique de puissance pour différents type de contrôle ......................................... 44
Figure 3-1: Courbe Cp du Modèle de SIMULINK .................................................................................... 49
Figure 3-2: Modèle dynamique de l'éolienne ........................................................................................ 49
Figure 3-3: GSAP droite (aimants montés en surface), gauche (poles saillants) .................................... 50
Figure 3-4: Circuit électrique équivalent du modèle de la GSAP ........................................................... 54
Figure 3-5: Schéma du Hacheur Buck-Boost inverseur .......................................................................... 56
Figure 3-6: réponse indicielle d'un système du second ordre en fonction du coefficient
d'amortissement .................................................................................................................................... 57
Figure 4-1: Courbe de puissance d'une éolienne pour différents vitesses de vent ............................... 60
Figure 4-2 : Vitesse de Référence en fonction de la puissance .............................................................. 62
Figure 4-3: Convergence vers le point maximum via contrôle de la vitesse .......................................... 62
Figure 4-4: Gauche: famille de courbe du couple pour différents vitesse de vent - Droite: courbe du
couple maximal ...................................................................................................................................... 64
Figure 4-5: Couple de référence en fonction de la vitesse de rotation .................................................. 64
6
Figure 4-6: Convergence vers le point optimal – contrôle en couple .................................................... 65
Figure 4-7: Schéma d'une chaine de conversion d'éolienne, avec redresseur à diodes et hacheur ...... 66
Figure 4-8: Courant de référence en fonction de la vitesse de rotation ................................................ 67
Figure 4-9: Courant de référence en fonction de la tension bus ........................................................... 67
Figure 4-10: Algorithme P&O ................................................................................................................. 68
Figure 4-11: Schèma de la chaine de conversion d'énergie électrique .................................................. 69
Figure 4-12: Courbe du courant optimal et la tension optimal .............................................................. 70
Figure 4-13: Courbe caractéristique du courant en fonction du carré de la tension, et de la puissance
en fonction de la tension ....................................................................................................................... 71
Figure 4-14: Schéma de l'algorithme MPPT proposé ............................................................................. 72
Figure 5-1: Schéma de la chaine de conversion d'énergie éolienne sous SIMULINK ............................. 78
Figure 5-2: Spécifications techniques de la turbine éolienne ................................................................ 79
Figure 5-3: Modèle Simulink de l'éolienne ............................................................................................. 79
Figure 5-4: Courbe de puissance et couple en fonction de la vitesse de rotation du rotor ................... 80
Figure 5-5: Schéma électrique de la chaine de conversion d'énergie éolienne proposée ..................... 81
Figure 5-6: Allure de la tension Vdc ....................................................................................................... 81
Figure 5-7: Générateur à MLI ................................................................................................................. 84
Figure 5-8: Schéma du système sans commande MPPT ........................................................................ 85
Figure 5-9: Courbe de puissance, fonctionnement sans commande MPPT ........................................... 85
Figure 5-10: Organigramme de l'algorithme P&O ................................................................................. 86
Figure 5-11: Evolution dans le temps de Cp, alpha, Pdc, et Wgen ......................................................... 88
Figure 5-12: Courbe de la tension et courant optimal ........................................................................... 89
Figure 5-13: Organigramme de l'algorithme P&O avancé (Mode de dressage) .................................... 90
Figure 5-14: Courbes d’évolution dans le temps de teta, alpha, Cp, Pdc, en mode dressage ............... 92
Figure 5-15: Courbes d'adaptaion de la résistance ................................................................................ 94
Figure 5-16: Courbes d'évolution dans le temps des grandeurs, vitesse du vent, rapport cyclique,
Coefficient de puissance, Puissance capturée. en mode de contrôle ORB ............................................ 95
Figure II-1: Structure et notations ........................................................................................................ 104
7
Liste des Tableaux
Tableau 1: Définition des Petit éolienne selon la Chine, Canada, Allemane, les Etats Unis, et le
Royaume Unis, Source [4] ...................................................................................................................... 14
Tableau 2: valeurs de rugosité en fonction de l’environnement ........................................................... 27
Tableau 3: Comparaison des éoliennes à axe horizontal, et à axe verical ............................................. 32
Tableau 4: Petites Eoliennes à axe vertical et horizontal autour du monde 2011, [4] ........................... 33
Tableau 5: Comparaison des éoliennes à vitesse fixe et à vitesse variable ............................................ 34
Tableau 6: Spécifications techniques des éoliennes de grande puissance ............................................ 40
Tableau 7: Spécifications techniques de la GSAP ................................................................................... 80
Tableau 8: Paramètres de l'algorithme de dressage .............................................................................. 91
8
Description:. HAL Id: dumas-01222261 https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01222261 Figure 2-1: Vue 3D d'une aile d'une pale d'éolienne .
